[发明专利]一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料及设计方法

权利要求书

1.一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料，其特征在于：所述超构材料的基础结构为空间梯度超构单元(1)，多个空间梯度超构单元(1)以正切分布相对折射率对应的几何参数两两对称排列构成一个空间梯度超构组合(2)，多个空间梯度超构组合(2)根据目标管道径向形状尺寸排列构成空间梯度超构材料，该空间梯度超构材料置于目标管道外部用于目标管道内声波控制；每个所述空间梯度超构单元(1)包括一对沿法向固定于目标管道外壁面的栅栏(1.1)，以及固定在栅栏(1.1)上的多个管道周向隔板(1.2)所组成，且相邻的两个空间梯度超构单元共用邻边的栅栏(1.1)；空间梯度超构单元(1)的级数即管道周向隔板(1.2)的总数，空间梯度超构材料的阶数为包含空间梯度超构组合(2)的个数；每对栅栏(1.1)之间被多个管道周向隔板(1.2)构成的交指型结构分隔成曲折的声波传输通道；

所述的一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料的设计方法，由于构成空间梯度超构材料的空间梯度超构单元(1)数量多，管面曲率产生的误差小，因此以直线型空间梯度超构单元及组合进行设计过程；具体包括以下步骤：

步骤一、空间梯度超构单元(1)的结构设计：空间梯度超构单元(1)的几何设计参数包括单元宽度a、单元长度t、单元壁厚w_t、级数N、通道宽度d和通道壁厚w；

单元宽度a、单元长度t需小于声波波长λ且满足管道尺寸要求确定,单元壁厚w_t取满足强度条件下的最小值；考虑几何关系的限制，取

空间梯度超构单元(1)的每个梯度分支的声波传输长度L为：

级数为N，则空间梯度超构单元(1)的声波传输总长度L_eff为：

L_eff≈N×L (9)

空间梯度超构单元(1)的相对折射率表示为：

相对折射率n_r为设计空间梯度超构单元(1)的关键参数；将在步骤二中得到相应位置空间梯度超构单元(1)的设计折射率；为避免级数N过大，当设计折射率n_r′≥3时，由于声波传输的周期性可取相对折射率为设计折射率减2的值，即：n_r＝n_r′-2；再根据公式(8)、(9)、(10)对每个空间梯度超构单元(1)进行几何参数求解；为避免声波传输过程中的损耗，取满足相对折射率n_r的最小级数N，再求解d，满足d≥w且d取满足条件的最小值；

步骤二、空间梯度超构组合(2)的设计：多个空间梯度超构单元(1)两两对称排列构成一个空间梯度超构组合(2)；空间梯度超构组合(2)的设计目标是使声波产生聚焦效果，构成空间梯度超构组合(2)对称轴两侧的空间梯度超构单元(1)按照声波相对折射率以正切梯度分布排列时可使声波聚焦效果最佳：

n_r′(i)＝n₀sech[α(h-i)] (11)

(11)式中n_r′(i)为从空间梯度超构组合(2)内距对称轴最远处数起，第i个空间梯度超构单元(1)的设计折射率；α为聚焦系数，与聚焦效果强弱有关；n₀为空间梯度超构组合(2)内距对称轴最近的空间梯度超构单元(1)的设计折射率；n_h为位于空间梯度超构组合(2)内距对称轴最远的空间梯度超构单元(1)的设计折射率；h为构成空间梯度超构组合(2)的空间梯度超构单元(1)总个数的一半；

根据公式(11)和公式(12)即递推出每个空间梯度超构单元(1)对应的设计折射率n_r′，再由步骤一中的方法迭代确定出每个空间梯度超构单元(1)的各个几何设计参数；多个空间梯度超构单元(1)组成的空间梯度超构组合(2)对输入的声波进行相位改变后，会在输出声波后产生叠加效应，使声波传播效果大有不同，采取了声波聚焦效果，使声波经过空间梯度超构组合(2)后在其对称轴附近进行聚焦；

步骤三、管道噪声控制的空间梯度超构材料设计：将步骤二中空间梯度超构组合(2)依次排列在目标管道外周向，组成与被控制管道外部形状大小相一致的空间梯度超构材料，保证空间梯度超构单元(1)的通道宽度不变，而单元壁厚根据管道形状调整，以保证每个单元的相对折射率误差小，能够对管道内噪声进行有效控制，设计出可以控制管道辐射噪声的空间梯度超构材料，并通过有限元软件ANSYS APDL中二维声学模拟模块及结构模块对空间梯度超构材料进行建模，并模拟不同频率管道声波对空间梯度超构材料进行效果验证。

2.根据权利要求1所述的一种用于管道噪声控制的空间梯度超构材料，其特征在于：所述空间梯度超构单元(1)通过曲折的声波传输通道延长声波传播路径，控制输出声波的相位；以目标频率声波波长λ为参考尺度，产生带隙效应完全控制入射声波；所述空间梯度超构单元(1)的通道宽度不变，单元壁厚根据管道形状调整，以保证每个空间梯度超构单元(1)的声波折射率误差小，能够对管道内噪声进行有效控制。